FR2710193A1 - Method and device for extending the useful pass-band of TEM cells - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé et dispositif pour l'extension de la bande passante utile des cellules TEM. Method and device for extending the useful bandwidth of TEM cells.
L'invention concerne un procédé permettant d'augmenter vers le haut la bande passante utile des cellules TEM utilisées notamment pour les essais d'immunité aux perturbations électromagnétiques rayonnées, cette augmentation de la bande passante résultant de la subdivision de la structure guidante au niveau des jonctions entre parties en guide conique et parties en guide cylindrique, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. The invention relates to a method making it possible to increase upwards the useful bandwidth of the TEM cells used in particular for tests of immunity to radiated electromagnetic disturbances, this increase in bandwidth resulting from the subdivision of the guiding structure at the level of the junctions between parts in conical guide and parts in cylindrical guide, as well as a device for implementing this method.
Les spécialistes en compatibilité électromagnétique et en durcissement à l'impulsion électromagnétique nucléaire connaissent bien les cellules TEM, qui permettent de simuler une agression électromagnétique rayonnée, par la création d'une onde TEM guidée par la cellule TEM. La cellule TEM est normalement connectée à l'une de ses extrémités à une source qui peut produire des signaux impulsionnels ou bien des signaux entretenus, et à son autre extrémité à une charge d'impédance égale à l'impédance caractéristique de la cellule pour le mode
TEM. Une utilisation de la cellule TEM est la suivante : on dispose un objet sous test à l'intérieur de la cellule TEM, et l'objet sous test voit une onde électromagnétique incidente, dont la structure est très semblable à celle d'une onde plane.Specialists in electromagnetic compatibility and nuclear electromagnetic pulse hardening are familiar with TEM cells, which simulate radiated electromagnetic aggression, by creating a TEM wave guided by the TEM cell. The TEM cell is normally connected at one of its ends to a source which can produce impulse signals or else sustained signals, and at its other end to an impedance load equal to the characteristic impedance of the cell for the fashion
TEM. One use of the TEM cell is as follows: we have an object under test inside the TEM cell, and the object under test sees an incident electromagnetic wave, whose structure is very similar to that of a plane wave .
On peut ainsi mesurer l'immunité électromagnétique de l'objet sous test à l'agression électromagnétique produite.It is thus possible to measure the electromagnetic immunity of the object under test to the electromagnetic aggression produced.
Les cellules TEM peuvent être de deux types : les cellules
TEM ouvertes et les cellules TEM fermées. Deux exemples de cellule TEM ouverte sont celui de la cellule à plaques parallèles, aussi connue sous le nom de cellule strip-line, (des versions de cette cellule étant décrites dans la norme 801-3 édition 1984 de la Commission Electrotechnique
Internationale, figure 2, ou dans la norme militaire française
GAM-EG-13 première partie, fascicule 63, juin 1986, figure 3 et figure 14), qui est une cellule symétrique, et celui de la cellule ouverte asymétrique (une version de cette cellule étant décrite dans la norme militaire américaine MIL-STD-462, 31 July 1967, page 90). Les cellules TEM ouvertes sont également parfois réalisées sous la forme de structures filaire, cette solution étant préférée à la réalisation à partir de plaques pour les cellules de grandes dimensions. Un exemple de cellule
TEM fermée est celui de la cellule rectangulaire, également connue sous le nom de cellule de Crawford (des versions de cette cellule sont décrites dans la norme SAE J1448, janvier 1984, et dans la norme militaire française GAM-EG-13 première partie, fascicule 63, juin 1986, figure 4 et figure 15).TEM cells can be of two types: cells
TEM open and TEM cells closed. Two examples of an open TEM cell are that of the parallel plate cell, also known as a strip-line cell, (versions of this cell being described in standard 801-3 1984 edition of the Electrotechnical Commission
International, figure 2, or in the French military standard
GAM-EG-13 first part, booklet 63, June 1986, figure 3 and figure 14), which is a symmetrical cell, and that of the asymmetric open cell (a version of this cell being described in the American military standard MIL-STD -462, July 31, 1967, page 90). Open TEM cells are also sometimes produced in the form of wire structures, this solution being preferred to making from plates for large cells. An example of a cell
TEM closed is that of the rectangular cell, also known as the Crawford cell (versions of this cell are described in the SAE J1448 standard, January 1984, and in the French military standard GAM-EG-13 first part, booklet 63, June 1986, Figure 4 and Figure 15).
Les dimensions des cellules TEM sont très variables : on trouve des réalisations dont la plus grande dimension se situe entre quelques centimètres et quelques centaines de mètres. On notera qu'une cellule TEM selon les exemples évoqués précédemment comporte différents tronçons de nature géométrique différente : un tronçon cylindrique, et deux tronçons coniques, le premier tronçon conique constituant une transition entre l'entrée de la cellule TEM (la partie de celle-ci reliée au générateur) et le tronçon cylindrique, le second tronçon conique constituant une transition entre le tronçon cylindrique et la sortie de la cellule TEM (la partie de celle-ci reliée à la charge). Dans certaines cellules TEM, il n'y a pas de tronçon cylindrique, les deux tronçons coniques étant directement reliés entre eux. Les différents tronçons sont bien entendu conçus pour présenter la même impédance caractéristique pour le mode TEM. The dimensions of TEM cells are very variable: there are realizations of which the largest dimension is between a few centimeters and a few hundred meters. It will be noted that a TEM cell according to the examples mentioned above comprises different sections of different geometric nature: a cylindrical section, and two conical sections, the first conical section constituting a transition between the entry of the TEM cell (the part of it ci connected to the generator) and the cylindrical section, the second conical section constituting a transition between the cylindrical section and the outlet of the TEM cell (the part of the latter connected to the load). In some TEM cells, there is no cylindrical section, the two conical sections being directly interconnected. The different sections are of course designed to have the same characteristic impedance for the TEM mode.
On notera que les tronçons de nature géométrique différente sont conçus pour que s'y propagent des ondes de nature électromagnétique différente. Les tronçons coniques sont prévus pour être le siège d'ondes sphériques centrées sur le sommet du cône, tandis que les tronçons cylindriques sont prévus pour être le siège d'ondes planes. Au niveau des jonctions entre des tronçons de nature géométrique différente, la structure du champ est bien entendu plus complexe. It will be noted that the sections of different geometric nature are designed so that waves of different electromagnetic nature are propagated therein. The conical sections are intended to be the seat of spherical waves centered on the top of the cone, while the cylindrical sections are provided to be the seat of plane waves. At the junctions between sections of different geometrical nature, the structure of the field is of course more complex.
Une cellule TEM de dimensions données souffre d'une limitation principale qui est sa fréquence maximale de fonctionnement. Souvent, on doit considérer que celle-ci est déterminée par la fréquence de coupure du premier mode d'ordre supérieur, dont la détermination est bien connue des spécialistes, et qui est d'autant plus basse que les dimensions transversales de la cellule sont plus grandes. Si on utilise la cellule au-delà de cette fréquence, des modes d'ordre supérieurs peuvent être excités, et si une proportion non négligeable de la puissance du générateur est prise par ces modes d'ordre supérieur au détriment du mode TEM, la structure du champ dans la cellule ne ressemble plus à celle d'une onde
TEM, et l'adaptation avec la charge n'est généralement plus réalisée, d'où l'apparition de réflexions importantes.A TEM cell of given dimensions suffers from a main limitation which is its maximum operating frequency. Often, it must be considered that this is determined by the cut-off frequency of the first higher-order mode, the determination of which is well known to specialists, and which is lower the more the transverse dimensions of the cell are more great. If the cell is used beyond this frequency, higher order modes can be excited, and if a significant proportion of the generator power is taken by these higher order modes to the detriment of TEM mode, the structure of the field in the cell no longer looks like that of a wave
TEM, and adaptation with the load is generally no longer carried out, hence the appearance of significant reflections.
Des techniques ont déjà été imaginées pour limiter la proportion de puissance apparaissant dans les modes d'ordre supérieur. La première de ces techniques connues est d'installer des absorbeurs à l'intérieur de la cellule de façon à ce qu'ils absorbent préférentiellement les premiers modes d'ordre supérieur. La seconde de ces techniques connues est de créer une cellule TEM ne comportant qu'un tronçon conique, terminé par des charges résistives et des absorbeurs, ce type de cellule TEM étant généralement appelé cellule GTEM. Techniques have already been devised to limit the proportion of power appearing in higher order modes. The first of these known techniques is to install absorbers inside the cell so that they preferentially absorb the first higher order modes. The second of these known techniques is to create a TEM cell comprising only a conical section, terminated by resistive charges and absorbers, this type of TEM cell being generally called GTEM cell.
Ces techniques sont toutefois imparfaites. La première technique connue ne permet que d'éliminer les premiers modes d'ordre supérieur, ce qui permet par exemple de doubler la fréquence maximale de fonctionnement. La seconde technique est assez onéreuse à mettre en oeuvre car elle nécessite une grande quantité d'absorbeurs ; si elle permet bien d'augmenter la fréquence d'utilisation de la cellule de façon spectaculaire, les performances sont en revanche médiocres aux fréquences intermédiaires où les absorbeurs cessent d'être efficaces, et où les charges résistives commencent à agir ; les cellules GTEM ne produisent d'autre part que des ondes sphériques, qui sont moins aisées à employer dans les mesures d'immunité électromagnétique. La réalisation de cellule GTEM de très grandes dimensions (par exemple 100 mètres de long) est difficile à envisager. However, these techniques are imperfect. The first known technique only eliminates the first higher order modes, which allows for example to double the maximum operating frequency. The second technique is quite expensive to implement because it requires a large amount of absorbers; if it makes it possible to increase the frequency of use of the cell dramatically, the performances are on the other hand mediocre at the intermediate frequencies where the absorbers cease to be effective, and where the resistive charges begin to act; GTEM cells on the other hand only produce spherical waves, which are less easy to use in measurements of electromagnetic immunity. The realization of very large GTEM cells (for example 100 meters long) is difficult to envisage.
Selon l'invention, le but de l'extension de la fréquence maximale de fonctionnement d'une cellule TEM est atteint par une subdivision transversale de la structure guidante, au niveau d'une ou plusieurs jonctions entre tronçons de nature géométrique différente de façon à ce que chaque élément de la subdivision transversale guide les ondes en préservant leur structure d'onde TEM jusqu'à des fréquences élevées, et de façon à ce que la subdivision transversale au niveau d'une jonction entre deux tronçons permette une transition progressive entre la structure électromagnétique prévue dans le premier tronçon et la structure électromagnétique prévue dans le second tronçon, la subdivision transversale devant être réalisée par un moyen ne risquant pas de produire lui-même de discontinuité électromagnétique préjudiciable. According to the invention, the aim of extending the maximum operating frequency of a TEM cell is achieved by a transverse subdivision of the guiding structure, at the level of one or more junctions between sections of different geometrical nature so as to that each element of the transverse subdivision guides the waves while preserving their TEM wave structure up to high frequencies, and so that the transverse subdivision at the level of a junction between two sections allows a gradual transition between the electromagnetic structure provided in the first section and the electromagnetic structure provided in the second section, the transverse subdivision having to be carried out by a means which is not likely to produce itself detrimental electromagnetic discontinuity.
Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comporte une structure métallique comprenant une ou plusieurs surfaces métalliques, cette structure métallique constituant une subdivision transversale de la structure guidante au niveau d'une jonction entre tronçons de nature géométrique différente, et est caractérisé en ce que chaque élément de la subdivision transversale guide les ondes en préservant leur structure d'onde TEM jusqu'à des fréquences élevées, et permet une transition progressive entre la structure électromagnétique prévue dans le premier tronçon et la structure électromagnétique prévue dans le second tronçon, la structure métallique devant être réalisée par un moyen ne risquant pas de produire lui-même de discontinuité électromagnétique préjudiciable. A device for implementing the method according to the invention comprises a metallic structure comprising one or more metallic surfaces, this metallic structure constituting a transverse subdivision of the guiding structure at a junction between sections of different geometrical nature, and is characterized in that each element of the transverse subdivision guides the waves while preserving their TEM wave structure up to high frequencies, and allows a gradual transition between the electromagnetic structure provided in the first section and the electromagnetic structure provided in the second section, the metal structure to be produced by a means which does not risk producing detrimental electromagnetic discontinuity itself.
I1 est clair pour un spécialiste que les surfaces conductrices de la structure métallique devront en leurs extrémités dans un tronçon être orthogonales au vecteur champ électrique qui existerait dans ce tronçon s'il se propageait à l'infini, sans quoi elles constitueront des discontinuités provoquant notamment des réflexions. Le spécialiste sait également concevoir des structures métalliques permettant une transition progressive entre des ondes de structure électromagnétique différente, par exemple entre une onde sphérique, propagée par un guide conique, et une onde plane propagée par un guide cylindrique. It is clear to a specialist that the conductive surfaces of the metallic structure must at their ends in a section be orthogonal to the electric field vector which would exist in this section if it propagated to infinity, without which they will constitute discontinuities causing in particular reflections. The specialist also knows how to design metallic structures allowing a gradual transition between waves of different electromagnetic structure, for example between a spherical wave, propagated by a conical guide, and a plane wave propagated by a cylindrical guide.
Selon l'invention, on cherche donc à utiliser une cellule
TEM comportant plusieurs tronçons de nature géométrique différente, au-delà de sa fréquence de coupure naturelle.According to the invention, we therefore seek to use a cell
TEM comprising several sections of different geometrical nature, beyond its natural cut-off frequency.
L'invention repose sur l'observation que c'est au niveau des jonctions entre tronçons de nature géométrique différente que peut s'opérer le transfert de puissance entre le mode TEM et un mode d'ordre supérieur, le couplage résultant de ce que les modes d'ordre supérieur sont nécessairement excités au voisinage d'une discontinuité. Raisonnons par exemple sur une jonction entre un tronçon conique et un tronçon cylindrique.The invention is based on the observation that it is at the junctions between sections of different geometrical nature that the power transfer can take place between the TEM mode and a higher order mode, the coupling resulting from the fact that the higher order modes are necessarily excited in the vicinity of a discontinuity. Let us reason for example on a junction between a conical section and a cylindrical section.
Pour des fréquences inférieures à la fréquence de coupure du premier mode d'ordre supérieur dans le tronçon cylindrique, les modes d'ordre supérieurs sont évanescents au voisinage de la jonction, et n'affectent plus la distribution des champs, à partir d'une distance suffisante de cette jonction. Pour des fréquences supérieures à la fréquence de coupure du premier mode d'ordre supérieur, un ou plusieurs de ces modes, s'ils sont excités par la discontinuité que constitue la jonction, vont pouvoir se propager et affecter défavorablement le fonctionnement de l'ensemble de la cellule. Le procédé selon l'invention consiste donc à limiter le couplage entre le mode
TEM et les modes d'ordre supérieur au niveau des jonctions de la cellule TEM.For frequencies lower than the cut-off frequency of the first higher order mode in the cylindrical section, the higher order modes are vanishing near the junction, and no longer affect the distribution of the fields, starting from a sufficient distance from this junction. For frequencies higher than the cutoff frequency of the first higher-order mode, one or more of these modes, if they are excited by the discontinuity that constitutes the junction, will be able to propagate and adversely affect the operation of the assembly of the cell. The method according to the invention therefore consists in limiting the coupling between the mode
TEM and higher order modes at the junctions of the TEM cell.
Selon un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, les surfaces métalliques de la structure métallique sont réalisées à partir d'une ou plusieurs plaques métalliques de forme convenable, maintenues en position par des entretoises diélectriques. According to one embodiment of the invention, given by way of nonlimiting example, the metal surfaces of the metal structure are produced from one or more metal plates of suitable shape, held in position by dielectric spacers.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, les surfaces métalliques de la structure métallique sont réalisées à partir de grillage métallique de maille suffisamment petite, maintenus en place par des pièces diélectriques. Les spécialistes savent déterminer la maille qui convient au domaine de fréquence dans lequel on souhaite faire fonctionner le dispositif selon l'invention. According to another embodiment of the invention, given by way of nonlimiting example, the metallic surfaces of the metallic structure are produced from metallic mesh of sufficiently small mesh, held in place by dielectric parts. Specialists know how to determine the mesh which is suitable for the frequency domain in which it is desired to operate the device according to the invention.
Selon un autre développement de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, les surfaces métalliques de la structure métallique sont réalisées à partir de fils métalliques tendus, maintenus en place par des pièces diélectriques ou des fils en substance diélectrique. According to another development of the invention, given by way of nonlimiting example, the metallic surfaces of the metallic structure are produced from tensed metallic wires, held in place by dielectric parts or wires in dielectric substance.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de l'exposé détaillé qui va suivre d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. Other advantages and characteristics will emerge more clearly from the detailed description which follows of a particular embodiment of the invention, given by way of nonlimiting example.
La figure 1 représente une cellule TEM, un générateur, une charge et un équipement sous test, avant l'installation d'un dispositif selon l'invention. Le générateur (1) produit une onde électromagnétique qui serait, dans l'hypothèse d'un fonctionnement idéal, transmise au premier tronçon conique (2) de la cellule TEM, puis à son tronçon cylindrique (3), puis à son deuxième tronçon conique (4), pour être ensuite absorbé par la charge (5). L'équipement sous test (6) voit essentiellement une onde plane incidente. FIG. 1 represents a TEM cell, a generator, a load and an item of equipment under test, before the installation of a device according to the invention. The generator (1) produces an electromagnetic wave which would, in the hypothesis of an ideal operation, be transmitted to the first conical section (2) of the TEM cell, then to its cylindrical section (3), then to its second conical section (4), to then be absorbed by the load (5). The equipment under test (6) essentially sees an incident plane wave.
En réalité, les deux jonctions entre des tronçons de caractéristiques géométriques différentes produisent chacune un couplage avec les modes de propagation d'ordre supérieur dans le tronçon cylindrique, modes qui se propagent aisément aux fréquences supérieures à leurs fréquences de coupure respectives, et sont dans ce cas vus par l'équipement sous test au détriment de la précision des mesures. In reality, the two junctions between sections of different geometric characteristics each produce a coupling with the higher order propagation modes in the cylindrical section, modes which are easily propagated at frequencies higher than their respective cut-off frequencies, and are in this cases seen by the equipment under test to the detriment of the accuracy of the measurements.
La figure 2 représente la même situation que dans la figure 1, sans l'équipement sous test, les repères (1) à (5) de la figure 2 ayant la même signification que dans la figure 1, après installation de deux dispositifs selon l'invention (7) et (8), comportant chacun cinq surfaces métalliques, et permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Sur la figure 2, n'ont été représentées que les surfaces métalliques de (7) et (8), qui constituent les seules parties fonctionnelles de ces dispositifs. Ces surfaces métalliques sont représentées en trait gras. Les dispositifs (7) et (8) comportent également des supports diélectriques (non représentés). Au niveau de la partie du dispositif (7) la plus proche du générateur, les surfaces métalliques épousent la forme des équipotentielles des ondes sphériques se propageant dans le premier tronçon conique, tandis qu'au niveau de la partie du dispositif (7) la plus proche de la charge, les surfaces métalliques épousent la forme des équipotentielles dans le tronçon cylindrique. Ainsi, les surfaces métalliques ne risquent pas de produire elles-mêmes de discontinuité significative. Les spécialistes sachant déterminer la distribution des champs et donc la forme des équipotentielles dans des structures guidantes, la conception des surfaces métalliques ne posera pas de problème particulier. Figure 2 represents the same situation as in Figure 1, without the equipment under test, the marks (1) to (5) of Figure 2 having the same meaning as in Figure 1, after installation of two devices according to l invention (7) and (8), each comprising five metal surfaces, and allowing the implementation of the method according to the invention. In FIG. 2, only the metal surfaces of (7) and (8) have been shown, which constitute the only functional parts of these devices. These metal surfaces are shown in bold lines. The devices (7) and (8) also include dielectric supports (not shown). At the part of the device (7) closest to the generator, the metal surfaces follow the shape of the equipotentials of the spherical waves propagating in the first conical section, while at the part of the device (7) most close to the load, the metal surfaces follow the shape of the equipotentials in the cylindrical section. Thus, the metal surfaces are not likely to produce significant discontinuity themselves. Since specialists know how to determine the distribution of fields and therefore the shape of the equipotentials in guiding structures, the design of metal surfaces will not pose any particular problem.
Les deux dispositifs (7) et (8) sont ici de constitutions identiques. Les cinq surfaces métalliques de chacun des dispositifs (7) et (8) réalisent donc une subdivision transversale de la structure guidante au niveau des deux jonctions entre tronçons de nature géométrique différente de la cellule TEM. Ces surfaces métalliques seront sans difficulté conçues par des spécialistes de façon à ce que chacune d'elle guide les ondes en préservant leur structure d'onde TEM jusqu'à des fréquences élevées, et de façon à permettre une transition progressive entre la structure électromagnétique prévue dans le premier tronçon et la structure électromagnétique prévue dans le second tronçon. Les modes de propagation d'ordre supérieur ne seront donc plus excités par la jonction. La fréquence maximale d'utilisation de la cellule TEM sera donc augmentée de façon très importante par l'adjonction des dispositifs (7) et (8).The two devices (7) and (8) are here of identical constitutions. The five metal surfaces of each of the devices (7) and (8) therefore produce a transverse subdivision of the guiding structure at the level of the two junctions between sections of different geometrical nature of the TEM cell. These metal surfaces will be easily designed by specialists so that each of them guides the waves while preserving their TEM wave structure up to high frequencies, and so as to allow a gradual transition between the planned electromagnetic structure. in the first section and the electromagnetic structure provided in the second section. The higher order propagation modes will therefore no longer be excited by the junction. The maximum frequency of use of the TEM cell will therefore be increased very significantly by the addition of devices (7) and (8).
Dans la réalisation d'un dispositif selon l'invention, on pourra, à titre d'exemple non limitatif, utiliser une longueur du dispositif située entre le quart de la hauteur de la cellule
TEM, et le double de cette hauteur.In the production of a device according to the invention, it is possible, by way of nonlimiting example, to use a length of the device situated between a quarter of the height of the cell
TEM, and double that height.
A titre d'exemples non limitatifs, des dispositifs selon l'invention peuvent être intallés sur des cellules TEM ouvertes asymétriques, ou bien sur des cellules TEM ouvertes symétriques, ou encore sur des cellules TEM fermées. By way of nonlimiting examples, devices according to the invention can be installed on asymmetric open TEM cells, or on symmetrical open TEM cells, or even on closed TEM cells.
Des dispositifs selon l'invention pourront par exemple être appliqués à l'amélioration de performances de cellules TEM de grandes dimensions pouvant être utilisées pour des essais d'immunité électromagnétique à des impulsions électromagnétiques rapides telles que l'impulsion électromagnétique nucléaire produite par une explosion exoatmosphérique, et en particulier lorsque l'on cherche à reproduire convenablement des fronts de montée de l'ordre de la nanoseconde. Devices according to the invention may for example be applied to improving the performance of large TEM cells which can be used for electromagnetic immunity tests to fast electromagnetic pulses such as the nuclear electromagnetic pulse produced by an exoatmospheric explosion. , and in particular when one seeks to reproduce suitably rising edges of the order of a nanosecond.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP0714030A1 (en) * | 1994-11-22 | 1996-05-29 | Alcatel Cable | Electromagnetic pulse simulator |
-
1993
- 1993-09-14 FR FR9310902A patent/FR2710193B3/en not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP0714030A1 (en) * | 1994-11-22 | 1996-05-29 | Alcatel Cable | Electromagnetic pulse simulator |
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FR2710193B3 (en) | 1996-01-05 |
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